Sel Surya Berbasis Titania dengan Penyisipan

Sel Surya Berbasis Titania dengan Penyisipan Logam Cu pada
Lapisan Titania
Noveri Susiana1)
Faculty of Mathematics and Science, State University of Padang, Padang
ABSTRACT
The development of electronic polymer materials for solar cell applications must be
made although not as good as the conversion efficiency of solar cells from solar
silikon.Sel material with a layer of titania doped titania dye known as Dye sensitized
Solar Cell (DSSC). Giving doping dye on titania coating can improve the absorption
of titania, thereby increasing the efficiency of solar cells. While the insertion of a
conductive material, such as iron or copper metal on the titania coating may also
improve the efficiency of solar cells, because the metal can act as a path (path) for the
electrons to flow faster toward the electrode. The second modification of the titania
coating can improve the efficiency of solar cells titania.
Keyword: solar cells, silicon, titania, DSSC, metal contacts, efficiency.
A. PENDAHULUAN
Ketersediaan energi di dunia ini semakin lama semakin menipis, termasuk
juga ketersediaan sumber energi listrik. Listrik yang berasal dari sumber energi
konvensional, seperti bahan bakar minyak, semakin lama semakin menurun. Disisi
lain kebutuhan manusia akan listrik semakin meningkat. Oleh karena itu manusia
terus mencari dan mengembangkan sumber-sumber energi alternatif yang lain,
yang dapat dijadikan sebagai sumber energi listrik. Salah satu sumber energi
alternatif yang digunakan sebagai sumber energi listrik adalah sel surya, yang telah
diteliti dan dikembangkan oleh banyak peneliti di berbagai negara (9).
Sel surya atau fotovoltaik adalah perangkat yang mengkonversi radiasi sinar
matahari menjadi energi listrik. Efek fotovoltaik ini ditemukan oleh Becquerel
pada tahun 1839, dimana Becquerel mendeteksi adanya tegangan foto ketika sinar
matahari mengenai elektroda pada larutan elektrolit. Pada tahun 1954 peneliti di
Bell Telephone menemukan untuk pertama kali sel surya silikon berbasis p-n
junction dengan efisiensi 6% (6).
Di bidang pembuatan sel surya fotovoltaik, kebutuhan untuk biaya efektif
produksi dan produktivitas yang tinggi adalah dua syarat utama agar tetap
kompetitif. Karena awal dari industri ini, tantangan telah membawa kapasitas
produktif dan harga sistem fotovoltaik bawah, dan penilaian berikutnya pada
viabilitas sel fotovoltaik manufaktur menunjukkan bahwa peningkatan input dan
adopsi strategi otomatis adalah keprihatinan utama yang perlu ditangani dalam
mengurangi biaya lembaran silikon(10).
Sel surya dengan berbahan baku silikon hingga saat ini masih merupakan
jenis sel surya yang paling banyak diteliti, dikembangkan serta dipasarkan. Selain
dilatarbelakangi oleh penemuan pertama sel surya, mapannya pengetahuan akan
silikon, terbukti dengan kehandalan silikon dalam aplikasi sel surya, dan jumlah
cadangan silikon di perut bumi berupa pasir silica yang berlimpah menjadi
beberapa bahan pertimbangan utama. Belum lagi ditambah oleh dukungan
infrastruktur industri semikonduktor yang memang mengambil material silikon
sebagai bahan dasar utama produk elektronika yakni microchip atau
microprocessor.
Baru pada beberapa tahun belakangan inilah beberapa pabrik pemurnian
silikon mulai memproduksi bahan material silikon khusus untuk aplikasi sel surya
dengan berkaca pada pesatnya produksi sel surya silikon di dunia saat itu, maupun
proyeksi pemasaran sel surya di masa depan. Saat ini, sel surya jenis silikon
menempati pangsa pasar sekitar 82-85% pasar sel surya dunia (12).
Beberapa proses produksi lembaran silikon sebagai alternatif untuk metode
konvensional Chzochralski muncul dan inovasi terus hingga saat ini, paling
terkenal di antaranya adalah Pertumbuhan Fed Film-metode bermata-Defined
(EFG), Silicon-on-keramik, ingot pengecoran dengan Heat Exchanger Metode,
dan dendritik Silicon Web (4). Di antara yang tertua dari proses sel surya adalah
produksi sel silikon teknik web dendritik yang pertama kali dikembangkan pada
tahun 1960 dan digunakan pada pertengahan 1960-an untuk garis pilot produksi
sel surya untuk aplikasi ruang (10).
Solar Sel Silikon
Ilmuwan Prancis, Edmund Becquerel pada tahun 1839 menemukan bahwa
cahaya yang jatuh pada materi tertentu dapat menyebabkan percikan listrik yang
dikenal dengan ”photoelectric effect” sehingga muatan ini dapat diperbanyak,
dalam kondisi yang tepat, membentuk arus listrik. Pada tahun 1954 , sebuah
kelompok Bell yang terpisah menemukan bahwa alat silicon yang mereka uji
menghasilkan listrik pada saat menghadap matahari. Ketika kedua pekerjaan
tersebut disatukan, maka mereka berhasil menyelesaikan suatu pemecahan, dimana
sel silicon yang mengubah 4% dari cahaya matahari yang datang menjadi listrik
yang berkekuatan lima kali lebih banyak dibanding dengan sel selenium terbaik
(1).
Gambar 1. Efisiensi Sel Photovoltalic Laboran (1)
Suatu pendekatan yang sedang ditindaklanjuti oleh para peneliti yaitu
mengembangkan sel-sel surya dengan efisiensi tinggi yang dibuat dari bahan baku
seperti gallium arsenide yang telah mencapai efisiensi setinggi 33% di
laboratorium. Sel-sel seperti ini dapat digunakan bersama dengan lensa dan kaca
pemantul yang memfokuskan sinar ke dalamnya, sehingga sangat mengurangi
bahan semi konduktor (1).
Prinsip Kerja Sel Surya Silikon secara Konvensional
Prinsip kerja sel surya silikon adalah berdasarkan konsep semikonduktir p-n
junction. Sel terdiri dari lapisan semikonduktor doping-n dan doping-p yang
membentuk p-n junction, lapisan antirefleksi, dan substrat logam sebagai tempat
mengalirnya arus dari lapisan tipe-n (elektron) dan tipe-p (hole).
Gambar 2. Struktur Sel Surya Silikon pn-junction.(7)
Semikonduktor tipe-n didapat dengan mendoping silikon dengan unsur dari
golongan V sehingga terdapat kelebihan elektron valensi dibanding atom sekitar.
Pada sisi lain semikonduktor tipe-p didapat dengan doping oleh golongan III
sehingga elektron valensinya defisit satu dibanding atom sekitar. Ketika dua tipe
material tersebut mengalami kontak maka kelebihan elektron dari tipe-n berdifusi
pada tipe-p. Sehingga area doping-n akan bermuatan positif sedangkan area
doping-p akan bermuatan negatif. Medan elektrik yan terjadi antara keduanya
mendorong elektron kembali ke daerah-n dan hole ke daerah-p. Pada proses ini
terlah terbentuk p-n junction. Dengan menambahkan kontak logam pada area p
dan n maka telah terbentuk dioda.
Gambar 3. Cara kerja Sel Surya Silikon (2)
Ketika junction disinari, photon yang mempunyai energi sama atau lebih
besar dari lebar pita energi materia tersebut akan menyebabkan eksitasi elektron
dari pita valensi ke pita konduksi dan akan meninggalkan hole pada pita valensi.
Elektron dan hole ini dapat bergerak dalam material sehingga menghasilkan
pasangan elektron-hole. Apabila ditempatkan hambatan pada terminal sel surya,
maka elektron dari area-n akan kembali ke area-p sehingga menyebabkan
perbedaan potensial dan arus akan mengalir. Skema cara kerja sel surya silikon
ditunjukkan pada gambar diatas (2).
Pertumbuhan Web Dendritik
Merupakan bagian dari pengembangan sel surya generasi ketiga yaitu tipe
solar sel polimer atau disebut juga dengan solar sel organik dan tipe solar sel foto
elektrokimia. Solar sel organik dibuat dari bahan semikonduktor organik seperti
polyphenylene vinylene dan fullerene. Berbeda dengan tipe solar sel generasi
pertama dan kedua yang menjadikan pembangkitan pasangan electron dan hole
dengan datangnya photon dari sinar matahari sebagai proses utamanya, pada solar
sel generasi ketiga ini photon yang datang tidak harus menghasilkan pasangan
muatan tersebut melainkan membangkitkan exciton. Exciton inilah yang kemudian
berdifusi pada dua permukaan bahan konduktor (yang biasanya di rekatkan dengan
organik semikonduktor berada di antara dua keping konduktor) untuk
menghasilkan pasangan muatan dan akhirnya menghasilkan efek arus foto
(photocurrent) (5)(3).
Perbandingan harga dan efisiensi dari ketiga generasi tersebut ditunjukkan
oleh gambar berikut:
Gambar 4. Perbandingan harga dan efisiensi setiap generasi (13)
Keunggulan (+) dan Kelemahan (-) dari setiap generasi sel surya diantaranya
yaitu, pada generasi pertama keunggulan nya adalah memiliki efisiensi tinggi
(>10%), sudah luas dikomersialisasikan. Kekurangannya yaitu seperti biayanya
yang mahal dan proses fabrikasi silicon sangat susah dan kompleks. Selanjutnya
pada generasi kedua memiliki keunggulan seperti harganya yang lebih murah
dibandingkan generasi pertama, memiliki koefisien absorbs matahari yang tinggi,
dan dapat diproses dalam keadaan non vacum. Kelemahannya antara lain proses
fabrikasinya menghasilkan limbah yang mencemari lingkungan serta efisiensi
lebih rendah dibandingkan generasi pertama. Pada generasi ketiga kelebihan yang
dimiliki seperti bahan baku mudah ditemukan, proses fabrikasi yang termudah,
dan biayanya yang termurah. Kelemahan dari generasi ketiga ini yaitu
menggunakan elektrolit cair sehingga dapat menguap serta belum
dikomersialisasikan secara massal (13).
Pertumbuhan dendritik adalah fenomena luas yang muncul selama kristalisasi
dari fase cair atau uap di hampir semua jenis bahan yang mengandung logam,
semikonduktor, oksida, dan bahan organik (10). Oleh karena teknik web dendritik
merupakan bagian dari generasi ketiga, dimana pada generasi ketiga ini yaitu tipe
solar sel polimer atau disebut juga dengan solar sel organik dan tipe solar sel foto
elektrokimia.
Sel surya yang banyak digunakan sekarang ini adalah Sel surya berbasis
teknologi silikon yang merupakan hasil dari perkembangan pesat teknologi
semikonduktor elektronik. Walaupun sel surya sekarang didominasi oleh bahan
silikon, namun mahalnya biaya produksi silikon membuat biaya konsumsinya
lebih mahal daripada sumber energi fosil. Selain itu kekurangan dari solar cell
silikon adalah penggunaan bahan kimia berbahaya pada proses fabrikasinya.
Tetapi seiring dengan perkembangan nanoteknologi, dominasi tersebut bertahap
mulai tergantikan dengan hadirnya sel surya generasi terbaru, yaitu dye-sensitized
solar cell (DSSC). DSSC merupakan salah satu kandidat potensial sel surya
generasi mendatang, hal ini dikarenakan tidak memerlukan material dengan
kemurnian tinggi sehingga biaya proses produksinya yang relatif rendah. Berbeda
dengan sel surya konvensional dimana semua proses melibatkan material silicon
itu sendiri, pada DSSC absorbsi cahaya dan separasi muatan listrik terjadi pada
proses yang terpisah. Absorbsi cahaya dilakukan oleh molekul dye dan separasi
muatan oleh inorganik semikonduktor nanokristal yang mempunyai bandgap lebar.
Salah satu semikonduktor ber-bandgap lebar yang sering digunakan yaitu
titanium dioksida, karena inert, tidak berbahaya, semikonduktor murah, selain
memiliki karakteristik optik yang baik. Namun untuk aplikasinya dalam DSSC,
harus memiliki permukaan yang luas sehingga dye yang teradsorb lebih banyak
yang hasilnya akan meningkatkan arus photo. Selain itu penggunaan bahan dye
yang mampu menyerap spektrum cahaya yang lebar dan cocok dengan pita energi
titanium dioksida juga merupakan karakteristik yang penting (1).
Sel surya yang telah banyak dikembangkan dan memiliki efisiensi yang
tinggi adalah sel surya berbasis silikon. Tetapi sel surya yang mendominasi pasar
ini masih memiliki harga yang relatif mahal karena proses produksinya sulit dan
memerlukan teknologi yang tinggi. Oleh karena itu terus dikembangkan sel surya
jenis lain dengan bahan baku yang murah, proses pembuatan yang mudah dan
memiliki efisiensi cukup baik. Salah satu sel surya yang terus dikembangakan
adalah sel surya berbasis titania.
Titanium dioksida merupakan salah satu semikonduktor oksida yang
memiliki energi celah pita yang sangat lebar (3,2 eV – 3,8 eV). Pada sel surya
fotoelektrokimia, titania berperan sebagai lapisan aktif yang mengabsorbsi energi
cahaya matahari untuk dikonversi menjadi energi listrik. Titanium dioksida murni
mempunyai efisiensi absorbsi sangat kecil, yaitu hanya sebesar 5%. Energi
matahari pada panjang gelombang ultraviolet saja yang dapat diserap oleh titanium
dioksida.
Oleh sebab itu spektrum penyerapan matahari ke area cahaya tampak perlu
dilakukan untuk mengefektifkan penggunaan energi matahari. Hal ini bisa
dilakukan dengan cara memperkecil energi celah pita melalui pemberian doping
atom lain pada titania. Sehingga diharapkan dapat memperbesar spektrum
penyerapan cahaya dari titania.
Titania mempunyai banyak kesitimewaan, yaitu memiliki konstanta
dielektrik tinggi, memiliki indeks bias yang besar, dan memiliki transmitansi optik
yang baik pada daerah cahaya tampak dan dekat infra merah.Titania juga memiliki
stabilitas kimia yang tinggi, tidak beracun, memiliki potensial tinggi sebagai fotooksidasi, dan harganya murah. Sehingga titania bisa digunakan dalam berbagai
variasi bentuk, misalnya koloid, pasta, lapisan tipis, maupun serbuk nano.
Sel surya DSSC adalah sel surya fotoelektrokimia yang menggunakan
elektrolit sebagai medium transport muatan. Komponen DSCC selain elektrolit
terbagi menjadi beberapa bagian yang terdiri dari nanopori TiO2, molekul dye
yang teradsorpsi di permukaan TiO2, dan katalis yang semuanya dideposisi
diantara dua kaca konduktif.
Sel Surya Titania dengan Penyisipan Logam
Penelitian tentang sel surya titania dalam rangka memodifikasi lapisan
titania sebagai lapisan aktif terus dikembangkan. Modifikasi pada lapisan titania
dilakukan dengan menyisipkan logam pada lapisan titania. Logam yang disisipkan
dapat berupa emas, tembaga, besi atau logam yang lain. Efisiensi sel surya
meningkat ketika lapisan titania disisipi dengan logam. Penyisipan logam pada
lapisan titania dapat dilakukan dengan berbagai metode, diantaranya dengan
metode sputtering,elektroplating dan doctor blade coating (9).
B. EKSPERIMEN DAN METODA
Alat dan Bahan : untuk membuat sel surya berbasis titania dibutuhkan titanium
dioksida, TIO, elektrolit, kaca, logam yang akan disisipkan
pada titanium dioksida yaitu logam Cu.
Skema 1 :
Skema 2 :
Cara pembuatannya yaitu siapkan semua alat dan bahan yang diperlukan,
langkah awalnya yaitu pelapisan titanium dioksida diatas kaca ITO.Selanjutnya
setelah mempersiapkan larutan elektrolit CuCl2, elektroda TiO2 dicelupkan ke
dalamnya.Kemudian disisipkan logam pada lapisan titanium dioksida, dan pada
bagian alas nya juga merupakan kaca yang dilapisi dengan ITO. Terlebih dahulu
lapisan TiO2 dielektroplating dengan logam Cu.
C. HASIL DAN PEMBAHASAN
Pada jurnal yang dijadikan sebagai rujukan, penyisipan logam pada lapisan
titania adalah logam besi, dimana menggunakan larutan elektrolit fero klorida,
sedangkan untuk eksperimen yang akan dilakukan adalah penyisipan logam Cu
pada lapisan titania.Alasannya adalah logam Cu merupakan logam yang banyak
sekali digunakan, karena mempunyai sifat hantaran arus dan panas yang baik.
Tembaga digunakan untuk pelapisan dasar karena dapat menutup permukaan
bahan yang dilapis dengan baik.
Hampir sama proses nya dengan penyisipan logam Fe, logam Cu disisipkan
ke dalam lapisan titania dengan metoda elektroplating. Pada proses elektroplating,
larutan elektrolit yang digunakan adalah CuCl2, dengan lapisan titania sebagai
katoda dan batang Cu sebagai anoda. Lapisan TiO2 yang dielektroplating dengan
tegangan yang lebih besar (konsentrasi larutan elektrolit dan waktu elektroplating
sama) atau waktu elektroplating yang lebih lama (konsentrasi larutan elektrolit dan
tegangan elektroplating sama, atau konsentrasi CuCl2 yang lebih besar (tegangan
dan waktu elektroplating sama) akan mengandung unsur Cu yang lebih banyak.
Lapisan TiO2 yang dielektroplating dengan Cu, menandakan bahwa ada atomatom Cu yang menyisip diantara partikel-partikel TiO2. Hal ini dapat dijelaskan
dari gambar di bawah ini.
Ketika sel surya diradiasi dengan cahaya maka akan terjadi generasi
(timbulnya pasangan elektron-hole). Foton yang diserap oleh elektron pada TiO2
menyebabkan elektron tereksitasi dari keadaan dasar ke keadaan tereksitasi dan
selanjutnya elektron mengalir menuju ITO melalui lapisan kontak logam (Fe).
Lapisan kontak logam ini menjadi lintasan bagi elektron untuk mengalir lebih
cepat menuju ITO. Selanjutnya elektron mengalir melalui beban luar menuju
counter elektroda dan akan diterima oleh elektrolit. Sedangkan hole yang
terbentuk akan berdifusi menuju elektrolit. Hal ini berarti elektron yang diterima
elektrolit akan berekombinasi dengan hole membentuk pembawa muatan negatif.
D. KESIMPULAN
Sel surya berbasis titania adalah salah satu sel surya generasi ketiga yang
terus dikembangkan. Proses pembuatan sel surya titania hanya memerlukan
teknologi yang sederhana dan biaya yang murah. Berbagai modifikasi terhadap
lapisan titania sebagai lapisan aktif pada sel surya terus dilakukan untuk
memperoleh efisiensi yang lebih baik. Lapisan titania data dimodifikasi dengan
menggunakan dye atau disisipi dengan material konduktif (logam). Lapisan titania
dengan penambahan molekul dye atau disisipi material konduktif (logam) akan
memberikan performansi sel surya yang lebih baik. Hal ini ditunjukkan dengan
peningkatan efisiensinya. Pengembangan sel surya titania jika terus dilakukan
akan memberikan harapan baru akan sumber energi listrik alternatif.
E. UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis mengucapkan rasa syukur dan terima kasih kepada Allah SWT. Penulis
juga mengucapkan terima kasih kepada DR. Rahadian, Z, S.Pd, M.Si sebagai dosen
dalam mata kuliah kimia fisika 3 yang telah memberikan bimbingan dan saran. Serta
kedua orang tua penulis yang telah memberikan semangat serta dorongan kepada
penulis dalam penyelesaian paper ini.
F. REFERENSI
1. Alfonsia,dkk. DSSC (Dye-Sensitized Solar Cell) sebagai sumber energi
alternatif ramah lingkungan. Malang : Universitas Brawijaya
2. Annual World Solar Photovoltaic Industry Report, Marketbuzz 2007 report.
3. B.A. Gregg, J. Phys. Chem. B 107 (2003) 4688.
4. C. E. Witt, L.O. Herwig, R.L. Mitchell, H. Thomas, R. Sellers, D.S. Ruby,
"Recent Progress in the photovotaic manufacturing Technology Project
(PVMat)," IEEE 1st World Conference Photovoltaic Energy Conversion,
24th IEEE Photovoltaic Specialist Conf., pp. 1169-1172, 1994.
5. C. J. Brabec, N.S. Sariciftci, J.C. Hummelen, Advanced Functional Materials,
11 (2001) 15.
Green, M. A., 2001, “Solar Cell Efficiency Tables (Version 18)”, Prog.
Photovolt. Res. Appl., 9, 287-93
7. J. Halme, 2002, “Dye sensitized Nanostructured and Organic Photovoltaic
Cells : technical review and preeliminary test”, Master Thesis of Helsinki
University of Technology.
8. M. McCormack",P hotovoltaics: Its Challenge," 14th IEEE Photovoltaic
Specialists Conference:pp 1-4. IEEE: New York 1980.
9. Prasetyowati, rita. 2012. Jurnal Sel Surya Berbasis Titania sebagai Sumber
Energi Listrik Alternatif. Prosiding Seminar Nasional Penelitian, Pendidikan
dan Penerapan MIPA, Fakultas MIPA, Universitas Negeri Yogyakarta
10. R.G. Seidensticker, "Dendritic Web Growth of Silicon", Westinghouse
Research and Development Center, Pittsburgh, PA
11. Shah, A., et al., 1999, “Photovoltaic Technology: The Case for Thin-Film
Solar Cells”, Science, 30 July, 285, 692-8.
12. https://energisurya.wordpress.com/2007/11/20/sel-surya-silikon-sangprimadona/
13. http://www.esdm.go.id/berita/artikel/56-artikel/4034-solar-cell-sumberenergi-terbarukan-masa-depan-.html?tmpl=component&print=1&page=
6.